JP2012132650A - Supercritical cycle heat pump device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷媒サイクルの高圧側で臨界圧力以上の超臨界状態となりうる冷媒を用い、圧縮機の吐出圧力を超臨界状態で運転する超臨界サイクルヒートポンプ装置に関するものである。 The present invention relates to a supercritical cycle heat pump apparatus that uses a refrigerant that can be in a supercritical state equal to or higher than the critical pressure on the high-pressure side of the refrigerant cycle, and operates in a supercritical state at a compressor discharge pressure.
冷媒サイクルの高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用いるヒートポンプシステムは、圧縮機の吐出圧力を臨界圧力以上の超臨界状態で運転することにより、高温の加熱を効率よく行なえる特性を有している。従来のフロン系冷媒では概ね60℃であったところを、80〜120℃の高温水および熱風を発生することができ、給湯分野にとどまらず、さまざまな乾燥装置として利用されている。
1)特許文献1には、温水を発生させ、被加熱流体に水を使用して温水を発生させて給湯を行うシステムであって、放熱器の出口に自然水と熱交換を行なう熱交換器および冷水により冷媒を蒸発させる熱交換器を2台並べて、熱交換器の前後に設置したバルブの開閉操作により暖房給湯運転および暖房給湯・冷房運転相互の切替を可能とするシステムが開示されている。
2)特許文献2には、被加熱流体に空気を使用し、熱風を発生させて乾燥に適用するシステムであって、外気および排気の一部をバイパス導入するとともに、COPを最大にする圧縮機の吐出圧力を運転しながら求め、常に高効率な運転を可能とするシステムが開示されている。
3)特許文献3には、被加熱流体に空気を使用して循環運転し、熱風を発生させて乾燥に適用するシステムであって、簡単な制御で、通常乾燥運転モードと省エネ乾燥モードを切り替え可能とするシステムが開示されている。
4)特許文献4には、被加熱流体に空気を使用して外気を導入し、熱風を発生させて乾燥に適用するシステムであって、ヒートポンプの熱源として供給する作用水を、一定量貯留されたものが循環使用されるとともに、乾燥機から排出された作用済の乾燥気体により昇温することで、常時一定水温とし、エネルギー効率が高く、安定した運転が可能なシステムが開示されている。
A heat pump system that uses a refrigerant that can be in a supercritical state on the high-pressure side of the refrigerant cycle has a characteristic that can efficiently perform high-temperature heating by operating the compressor discharge pressure in a supercritical state that is higher than the critical pressure. Yes. Conventional fluorocarbon refrigerants can generate high-temperature water and hot air of 80 to 120 ° C., which is approximately 60 ° C., and are used not only in the hot water supply field but also as various drying devices.
1)
2)
3)
4)
ヒートポンプシステムを効率よく運転するため、COP(Coefficient Of Performance)を向上させるためには、以下方法がある。
(1)ヒートポンプにより発生する熱量を増やすこと。
手段には、圧縮機出口圧力をより高め高温の熱源を作り出す方法及び放熱器でより低温まで回収する方法がある。この場合、圧縮機出口圧力を高めると発生熱量が増えるが、圧縮機に必要な動力も上昇するため、必ずしもCOP向上につながらない場合もある。これに対し、放熱器でより低温まで回収する方法は、有効である。
(2)冷媒の圧縮に用いる動力を減らすこと。
手段には、圧縮機出口圧力を低くする方法および圧縮機入口圧力を高める方法がある。圧縮機出口圧力を低くすると必要動力は減るが、発生熱量および高温熱源の温度も減少するため、必ずしもCOP向上につながらない他、被加熱側に必要な温度に達しない場合もある。これに対し、圧縮機入口圧力を高める方法は、有効である。但し、サイクルの低圧側において臨界圧未満である必要があり、冷媒として二酸化炭素を用いる場合、上限は概ね7.5MPaGである。また、熱源流体温度が蒸発器蒸発温度より高い必要が有り、チラー水や冬季の冷却塔循環水等の低い温度の熱源流体が使用できなくなる。また熱源流体出口温度も蒸発器蒸発温度より高い必要があり、入口と出口の温度差を大きくとれず、熱源流体の流量を多く必要とすることもあり、ポンプ等の付帯設備費は運転コスト上昇を招き必ずしも効果的でない場合が多い。
In order to efficiently operate the heat pump system, there are the following methods for improving COP (Coefficient Of Performance).
(1) Increase the amount of heat generated by the heat pump.
As a means, there are a method of generating a high-temperature heat source by increasing the compressor outlet pressure and a method of recovering to a lower temperature by a radiator. In this case, when the compressor outlet pressure is increased, the amount of generated heat increases, but the power required for the compressor also increases, and therefore, it may not necessarily lead to an improvement in COP. On the other hand, a method of recovering to a lower temperature with a radiator is effective.
(2) Reduce power used for refrigerant compression.
Means include lowering the compressor outlet pressure and increasing the compressor inlet pressure. When the compressor outlet pressure is lowered, the required power is reduced, but the amount of generated heat and the temperature of the high-temperature heat source are also reduced. Therefore, the COP is not necessarily improved and the temperature required for the heated side may not be reached. On the other hand, a method of increasing the compressor inlet pressure is effective. However, it must be below the critical pressure on the low pressure side of the cycle, and when carbon dioxide is used as the refrigerant, the upper limit is approximately 7.5 MPaG. In addition, the heat source fluid temperature needs to be higher than the evaporator evaporation temperature, and a low temperature heat source fluid such as chiller water or winter cooling tower circulation water cannot be used. Also, the heat source fluid outlet temperature must be higher than the evaporator evaporation temperature, the temperature difference between the inlet and outlet cannot be made large, and a large flow rate of the heat source fluid may be required. In many cases, it is not always effective.
上記(1)(2)より超臨界状態となりうる冷媒を用いるヒートポンプシステムにおいてCOPの高い点で運転を行なうためには、冷媒サイクル低圧側が臨界圧を越えないことが一つの条件(制限)となる。
冷媒サイクルの低圧側入口運転点は、高圧側の放熱器の出口冷媒が断熱膨張された点であるので、放熱器の冷媒出口温度に依存する。
冷媒として二酸化炭素を用いる場合、冷媒サイクル高圧側での放熱器の冷媒出口温度が最高で50℃以下であることが望まれ、その場合、伝熱に必要な温度差を5℃とした場合は冷却源である被加熱流体の入口温度は45℃になるが、実用上は冷媒出口温度は最高で45℃以下、被加熱流体の入口温度が40℃以下であることが望ましい。
また、被加熱流体の入口温度は−40℃以上であることが望ましい。これは−40℃未満であると運転停止時に被加熱流体だけが流れている場合、蒸発器内の冷媒蒸発温度も−40℃未満となり、内部圧力が大気圧以下まで下がり冷媒サイクル系内へ外気が漏れこむため、容器の気密性を完璧にする必要が生じ、また、万一漏れ込んだ場合、水分や不凝縮ガスとしての空気が悪影響を与えるため抽気設備の設置を配慮する等の必要性が生じる。さらに、運転中においても断熱圧縮によって臨界点圧力以上に昇圧する必要あり、圧縮比が過大で圧縮動力も非常に大きくなり、圧縮機性能、効率の低下を生じる。
また、熱源流体が液体の場合凍結の問題も生じ、水の場合は低くても−5℃以上、ブラインの場合も不凍液の種類に因るが、一般的には−20℃以上となる。
In order to perform operation at a high COP point in a heat pump system using a refrigerant that can be in a supercritical state from the above (1) and (2), one condition (limitation) is that the refrigerant cycle low pressure side does not exceed the critical pressure. .
Since the low pressure side inlet operating point of the refrigerant cycle is a point where the outlet refrigerant of the high pressure side radiator is adiabatically expanded, it depends on the refrigerant outlet temperature of the radiator.
When carbon dioxide is used as the refrigerant, it is desirable that the refrigerant outlet temperature of the radiator on the high pressure side of the refrigerant cycle is 50 ° C. or less at maximum, in which case the temperature difference required for heat transfer is 5 ° C. Although the inlet temperature of the heated fluid that is the cooling source is 45 ° C., it is desirable that the refrigerant outlet temperature is 45 ° C. or less at the maximum and the inlet temperature of the heated fluid is 40 ° C. or less in practice.
In addition, the inlet temperature of the fluid to be heated is desirably −40 ° C. or higher. If this is less than −40 ° C., when only the fluid to be heated flows when the operation is stopped, the refrigerant evaporation temperature in the evaporator also becomes less than −40 ° C., the internal pressure falls below atmospheric pressure, and the outside air enters the refrigerant cycle system. It is necessary to make the container airtight completely, and if it leaks, it is necessary to consider the installation of extraction equipment because moisture and air as non-condensable gas will adversely affect it. Occurs. Furthermore, even during operation, it is necessary to increase the pressure above the critical point pressure by adiabatic compression, the compression ratio is excessive, the compression power is very large, and the compressor performance and efficiency are lowered.
In addition, when the heat source fluid is a liquid, there is a problem of freezing. In the case of water, it is at least -5 ° C or higher, and in the case of brine, the temperature is generally -20 ° C or higher although it depends on the type of antifreeze.
被加熱流体として空気を用いる場合、一般に外気および室内又は工場内設置場所の空気が用いられる。ヒートポンプシステムは一般に機械室に設置され、乾燥装置として使用する場合は特に室内温度は上昇しやすい傾向にあるため、40℃を充分に超えるケースも想定される。また、近年の温暖化により外気であっても40℃を超えるケースも出てきている。
従って、被加熱流体の入口温度が40℃を超える場合、従来の技術では、装置を停止させるか、サイクルの低圧側圧力を下げてCOPの低い運転点にて運転する必要があった。実際には装置保護の問題も有り、被加熱流体入口温度である空気温度が大略40℃を超える場合は超臨界サイクルヒートポンプ装置を停止し警報等を出力するシステムがとられている。
When air is used as the fluid to be heated, outside air and indoor or indoor installation air are generally used. The heat pump system is generally installed in a machine room, and when used as a drying device, the room temperature tends to rise particularly. Therefore, a case of sufficiently exceeding 40 ° C. is assumed. In addition, there are cases where the temperature exceeds 40 ° C. even in the open air due to recent warming.
Therefore, when the inlet temperature of the fluid to be heated exceeds 40 ° C., in the conventional technology, it is necessary to stop the apparatus or reduce the low-pressure side pressure of the cycle and operate at a low COP operating point. In fact, there is a problem of device protection, and when the air temperature, which is the inlet temperature of the fluid to be heated, exceeds approximately 40 ° C., a system is adopted that stops the supercritical cycle heat pump device and outputs an alarm or the like.
本来、被加熱流体の温度が上昇し被加熱流体の加温温度差が小さくなり、少ない熱量供給で済み、効率が向上する条件において装置の運転を停止をするため、逆に全体の効率が低下する現象が生じている。この実運転における経済性低下が超臨界サイクルヒートポンプ装置導入の大きな障害になってきている。 Originally, the temperature of the fluid to be heated rises, the heating temperature difference of the fluid to be heated becomes small, and it is sufficient to supply a small amount of heat, and the operation of the device is stopped under the condition that the efficiency is improved. Is occurring. This economic drop in actual operation has become a major obstacle to the introduction of supercritical cycle heat pump equipment.
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、冷媒を断熱圧縮する圧縮機と、断熱圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、高圧の冷媒を断熱膨張させ低圧にさせる膨張弁と、断熱膨張して低圧低温になった冷媒を蒸発させる蒸発器を備え、断熱圧縮された高圧冷媒が超臨界状態となる超臨界サイクルヒートポンプ装置において、放熱器において加熱される被加熱流体を冷却することにより、ヒートポンプの性能向上を図ることができ、ヒートポンプを停止させることなく連続運転が可能な超臨界サイクルヒートポンプ装置を提供することを目的とするものである。 In view of the problems of the conventional technology, the present invention provides a compressor that adiabatically compresses a refrigerant, a radiator that cools the adiabatic-compressed refrigerant, an expansion valve that adiabatically expands the high-pressure refrigerant to a low pressure, and adiabatically expands. In a supercritical cycle heat pump device that includes an evaporator that evaporates the refrigerant that has become low pressure and low temperature, and in which the adiabatic compressed high pressure refrigerant is in a supercritical state, the heat pump is cooled by cooling the fluid to be heated that is heated in the radiator It is an object of the present invention to provide a supercritical cycle heat pump apparatus that can improve the performance of the apparatus and that can be operated continuously without stopping the heat pump.
上述の目的を達成するため、本発明の超臨界サイクルヒートポンプ装置は、冷媒を断熱圧縮する圧縮機と、断熱圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、高圧の冷媒を断熱膨張させて低圧にする膨張弁と、断熱膨張して低圧低温になった冷媒を蒸発させる蒸発器とを備え、断熱圧縮された高圧冷媒が超臨界状態となる超臨界サイクルヒートポンプ装置において、前記放熱器において冷媒との熱交換により加熱される被加熱流体を前記放熱器に導入する前に冷却するようにしたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a supercritical cycle heat pump apparatus according to the present invention includes a compressor that adiabatically compresses a refrigerant, a radiator that cools the adiabatic-compressed refrigerant, and a high-pressure refrigerant adiabatically expanded to a low pressure. In a supercritical cycle heat pump apparatus comprising an expansion valve and an evaporator for evaporating a refrigerant that has been adiabatically expanded to a low pressure and a low temperature, the heat of the refrigerant in the radiator is a supercritical cycle heat pump device in which the adiabatic compressed high pressure refrigerant is in a supercritical state. The heated fluid heated by the exchange is cooled before being introduced into the radiator.
本発明によれば、冷媒サイクルは、冷媒サイクルの高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を使用し、冷媒を圧縮機により超臨界状態まで圧縮し、圧縮された冷媒を放熱器により冷却し、高圧の冷媒を膨張弁により膨張させて低圧にし、膨張して低圧になった冷媒を蒸発器で蒸発させる。蒸発器においては、熱源流体を用いて冷媒を蒸発させる。この時、熱源流体は冷媒により蒸発潜熱エネルギーを奪われて低温熱源流体となる。放熱器において、冷媒は被加熱流体の入口温度近くまで冷却される。この時の放熱器出口の冷媒は、ヒートポンプの性能向上のために低くすることが望まれ、被加熱流体の温度を低くする必要がある。
そのため、本発明においては、被加熱流体を放熱器に導入する前に冷却して低温被加熱流体とする。放熱器に供給される被加熱流体に、低温被加熱流体を使用することにより、冷媒の温度を低くすることができる。従って、冷媒サイクル高圧側の放熱器の冷媒出口温度を、低温度まで冷却することが可能になり、冷媒サイクルが効率よく運転され、COPを向上させることができる。また、被加熱流体を放熱器に導入する前に冷却することにより、装置の運転停止を無くし、連続運転を可能とし運転効率を上げることができる。
According to the present invention, the refrigerant cycle uses a refrigerant that can be in a supercritical state on the high pressure side of the refrigerant cycle, compresses the refrigerant to a supercritical state by a compressor, cools the compressed refrigerant by a radiator, The refrigerant is expanded by an expansion valve to a low pressure, and the refrigerant that has been expanded to a low pressure is evaporated by an evaporator. In the evaporator, the refrigerant is evaporated using a heat source fluid. At this time, the heat source fluid is deprived of the latent heat of vaporization by the refrigerant and becomes a low temperature heat source fluid. In the radiator, the refrigerant is cooled to near the inlet temperature of the fluid to be heated. The refrigerant at the outlet of the radiator at this time is desired to be lowered in order to improve the performance of the heat pump, and the temperature of the heated fluid needs to be lowered.
Therefore, in the present invention, the heated fluid is cooled to be a low temperature heated fluid before being introduced into the radiator. By using a low temperature heated fluid as the heated fluid supplied to the radiator, the temperature of the refrigerant can be lowered. Therefore, the refrigerant outlet temperature of the radiator on the refrigerant cycle high pressure side can be cooled to a low temperature, the refrigerant cycle can be operated efficiently, and COP can be improved. Further, by cooling the heated fluid before introducing it into the radiator, it is possible to eliminate the operation stop of the apparatus, enable continuous operation, and increase the operation efficiency.
本発明の好ましい態様は、前記被加熱流体は空気または水であることを特徴とする。
本発明においては、被加熱流体を一度冷却させるので、被加熱流体が空気の場合、除湿が同時に行なわれるので、被加熱流体を乾燥に用いることにより、有効度が増す。また、被加熱流体が水の場合、温水を発生させて給湯を行うことができる。超臨界サイクルヒートポンプ装置においては、被加熱流体を100℃以上の高温状態にも加熱できるため、被加熱流体に水を使用した場合、大気圧以上(100℃以上)の蒸気発生用にも使用できる。
本発明において、被加熱流体は、空気以外のガス流体でも液流体でもよい。ガス流体の場合、空気以外に毒性、爆発性、腐食性、分解・変性が無いガス流体であれば良く、例えば、窒素ガス、炭酸ガス等を使用する場合もある。可燃性ガスにおいては、充分に運用方法や対策を講じれば加熱に使用できる。また、被加熱流体は、水以外の液流体でもよい。液流体としては、ガス流体同様に毒性、腐食性、分解・変性が無い流体が望ましく、揮発性、爆発性、可燃性液流体であっても充分に運用方法や対策を講じれば加熱に使用できる。また、高温熱媒(熱媒油等)を使用すれば、100℃以上の高温熱媒を得ることもできる。
本発明においては、被加熱流体を一度冷却させるので、冷却晶析させて上澄み液を再濃縮するような液の場合、冷却晶析と濃縮を同時に行なうことができるので、有効度が増す。
In a preferred aspect of the present invention, the heated fluid is air or water.
In the present invention, since the fluid to be heated is cooled once, when the fluid to be heated is air, dehumidification is performed at the same time. Therefore, the effectiveness is increased by using the fluid to be heated for drying. When the fluid to be heated is water, hot water can be generated by generating hot water. In the supercritical cycle heat pump apparatus, the fluid to be heated can be heated to a high temperature state of 100 ° C. or higher. Therefore, when water is used as the fluid to be heated, it can be used for generating steam at atmospheric pressure or higher (100 ° C. or higher) .
In the present invention, the fluid to be heated may be a gas fluid other than air or a liquid fluid. In the case of a gas fluid, any gas fluid other than air that is not toxic, explosive, corrosive, or decomposed / denatured may be used. A combustible gas can be used for heating if sufficient operation methods and measures are taken. Further, the fluid to be heated may be a liquid fluid other than water. The liquid fluid is preferably a fluid that is not toxic, corrosive, or decomposed / denatured like a gas fluid, and even a volatile, explosive, or flammable liquid fluid can be used for heating if sufficient operation methods and measures are taken. . Moreover, if a high temperature heating medium (heating medium oil etc.) is used, the high temperature heating medium of 100 degreeC or more can also be obtained.
In the present invention, since the fluid to be heated is cooled once, in the case of a liquid that is cooled and crystallized to re-concentrate the supernatant liquid, cooling crystallization and concentration can be performed at the same time, so the effectiveness increases.
本発明の好ましい態様は、前記蒸発器で前記低圧低温の冷媒を蒸発させるための熱源流体はチラー水及び/又は冷却水であることを特徴とする。
本発明において、熱源流体としてチラー水(ブライン)及び/又は冷却水を使用する場合は、熱源流体を冷熱源として使用する場合であり、極力熱源流体の出口温度が低い方が良い。冷却水の場合は凍結の問題があるので冷媒の蒸発温度は少なくとも0℃以上が望ましいが、これ以下では不凍液を含むブラインを使用する。熱源流体を直接冷却する場合は、毒性、腐食性、分解・変性が無い流体が望ましいが、揮発性、爆発性、可燃性液流体であっても充分に運用方法や対策を講じれば冷却に使用できる。但し、熱源液流体の凍結条件によって熱源流体出口温度を決定しなければならない。
また、本発明において、熱源流体はガス流体であってもよい。ガス流体の場合、空調用冷熱利用が多く考えられるが、空気以外に毒性、爆発性、腐食性、分解・変性が無いガス流体であれば良く、例えば、窒素ガス、炭酸ガス等を使用する場合もある。可燃性ガスにおいては、充分に運用方法や対策を講じれば冷却に使用できる。
In a preferred aspect of the present invention, the heat source fluid for evaporating the low-pressure and low-temperature refrigerant in the evaporator is chiller water and / or cooling water.
In the present invention, when chiller water (brine) and / or cooling water is used as the heat source fluid, the heat source fluid is used as the cold heat source, and the outlet temperature of the heat source fluid should be as low as possible. In the case of cooling water, since there is a problem of freezing, the evaporation temperature of the refrigerant is preferably at least 0 ° C. or more, but below this, brine containing antifreeze is used. When directly cooling the heat source fluid, a fluid that is not toxic, corrosive, or decomposed / denatured is desirable, but even if it is a volatile, explosive or flammable liquid fluid, it can be used for cooling if sufficient operation methods and measures are taken. it can. However, the heat source fluid outlet temperature must be determined according to the freezing conditions of the heat source liquid fluid.
In the present invention, the heat source fluid may be a gas fluid. In the case of gas fluids, the use of cold energy for air conditioning can be considered, but any gas fluid that is not toxic, explosive, corrosive, or decomposed / denatured other than air may be used. For example, when using nitrogen gas, carbon dioxide, etc. There is also. Inflammable gases can be used for cooling if sufficient operation methods and measures are taken.
本発明の好ましい態様は、前記放熱器の入口側に予冷器を設置し、冷熱源流体により被加熱流体を冷却することを特徴とする。
放熱器において被加熱流体により冷却された後の冷媒の温度が低いと冷媒サイクルのCOPが向上するので、被加熱流体温度は低く設定した方がより効率的である。したがって、本発明においては、被加熱流体を冷却して被加熱流体の温度を低下させるために放熱器の入口側に予冷器を設置している。そして、予冷器において被加熱流体を冷却する手段として、冷熱源流体を使用している。
In a preferred aspect of the present invention, a precooler is installed on the inlet side of the radiator and the fluid to be heated is cooled by a cold source fluid.
If the temperature of the refrigerant after being cooled by the heated fluid in the radiator is low, the COP of the refrigerant cycle is improved. Therefore, it is more efficient to set the heated fluid temperature low. Therefore, in the present invention, a precooler is installed on the inlet side of the radiator in order to cool the heated fluid and lower the temperature of the heated fluid. A cold source fluid is used as means for cooling the heated fluid in the precooler.
本発明の好ましい態様は、前記放熱器の入口側に予冷器を設置し、前記蒸発器の入口側の熱源流体により被加熱流体を冷却することを特徴とする。
本発明においては、被加熱流体を冷却して被加熱流体の温度を低下させるために放熱器の入口側に予冷器を設置し、予冷器において被加熱流体を冷却する手段として、蒸発器の入口側の熱源流体を使用している。本発明によれば、被加熱流体を冷却するための冷熱源流体源を別途設ける必要がない。
In a preferred aspect of the present invention, a precooler is installed on the inlet side of the radiator, and the heated fluid is cooled by a heat source fluid on the inlet side of the evaporator.
In the present invention, in order to cool the heated fluid and lower the temperature of the heated fluid, a precooler is installed on the inlet side of the radiator, and the inlet of the evaporator is used as a means for cooling the heated fluid in the precooler. The side heat source fluid is used. According to the present invention, there is no need to separately provide a cold source fluid source for cooling the heated fluid.
本発明の好ましい態様は、前記予冷器から出る加温された熱源流体の一部又は全量を前記蒸発器の入口側へ戻すことを特徴とする。
本発明によれば、予冷器において被加熱流体から熱を奪って加温された熱源流体の一部または全量を蒸発器の入口に戻すことによりヒートポンプの熱源として有効に使用することもできる。
A preferred aspect of the present invention is characterized in that a part or all of the heated heat source fluid exiting the precooler is returned to the inlet side of the evaporator.
According to the present invention, it is possible to effectively use a heat source fluid as a heat source of a heat pump by returning a part or all of the heat source fluid heated by removing heat from the fluid to be heated in the precooler to the inlet of the evaporator.
本発明の好ましい態様は、前記放熱器の入口側に予冷器を設置し、前記蒸発器の出口側の熱源流体により被加熱流体を冷却することを特徴とする。
本発明においては、被加熱流体を冷却して被加熱流体の温度を低下させるために放熱器の入口側に予冷器を設置し、予冷器において被加熱流体を冷却する手段として、蒸発器の出口側の熱源流体を使用している。本発明によれば、被加熱流体を冷却するための冷熱源流体源を別途設ける必要がない。
In a preferred aspect of the present invention, a precooler is installed on the inlet side of the radiator, and the heated fluid is cooled by a heat source fluid on the outlet side of the evaporator.
In the present invention, in order to cool the heated fluid and lower the temperature of the heated fluid, a precooler is installed on the inlet side of the radiator, and the outlet of the evaporator is used as a means for cooling the heated fluid in the precooler. The side heat source fluid is used. According to the present invention, there is no need to separately provide a cold source fluid source for cooling the heated fluid.
本発明の好ましい態様は、前記予冷器から出る加温された熱源流体の一部又は全量を前記蒸発器の入口側へ戻すことを特徴とする。
本発明によれば、予冷器において被加熱流体から熱を奪って加温された熱源流体の一部または全量を蒸発器の入口に戻すことによりヒートポンプの熱源として有効に使用することもできる。
A preferred aspect of the present invention is characterized in that a part or all of the heated heat source fluid exiting the precooler is returned to the inlet side of the evaporator.
According to the present invention, it is possible to effectively use a heat source fluid as a heat source of a heat pump by returning a part or all of the heat source fluid heated by removing heat from the fluid to be heated in the precooler to the inlet of the evaporator.
本発明の好ましい態様は、前記冷媒は二酸化炭素であることを特徴とする。
本発明によれば、CO2を冷媒としたヒートポンプ装置は、圧縮機の吐出圧力を臨界圧力以上の超臨界状態で運転することにより、高温の加熱を効率良く行なえる特性を有していることから、被加熱流体として空気を用いる場合、加熱空気は樹脂や木材等の乾燥に利用することができ、また被加熱流体として水を用いる場合、温水は給湯に利用することができる。
In a preferred aspect of the present invention, the refrigerant is carbon dioxide.
According to the present invention, the heat pump device using CO 2 as a refrigerant has a characteristic that high-temperature heating can be efficiently performed by operating in a supercritical state where the discharge pressure of the compressor is equal to or higher than the critical pressure. Therefore, when air is used as the fluid to be heated, the heated air can be used for drying resin, wood, etc., and when water is used as the fluid to be heated, hot water can be used for hot water supply.
本発明の好ましい態様は、前記放熱器の入口側の被加熱流体の入口温度は、40℃以下、−40℃以上であることを特徴とする。
本発明によれば、冷媒として二酸化炭素を用いる場合、冷媒サイクル高圧側での放熱器の冷媒出口温度が最高で50℃以下であることが望まれ、その場合、伝熱に必要な温度差を5℃とした場合は冷却源である被加熱流体の入口温度は45℃になるが、実用上は冷媒出口温度は最高で45℃以下、被加熱流体の入口温度が40℃以下であることが望ましい。
また、被加熱流体の入口温度は−40℃以上であることが望ましい。これは−40℃未満であると運転停止時に被加熱流体だけが流れている場合、蒸発器内の冷媒蒸発温度も−40℃未満となり、内部圧力が大気圧以下まで下がり冷媒サイクル系内へ外気が漏れこむため、容器の気密性を完璧にする必要が生じ、また、万一漏れ込んだ場合、水分や不凝縮ガスとしての空気が悪影響を与えるため抽気設備の設置を配慮する等の必要性が生じる。
In a preferred aspect of the present invention, the inlet temperature of the heated fluid on the inlet side of the radiator is 40 ° C. or lower and −40 ° C. or higher.
According to the present invention, when carbon dioxide is used as the refrigerant, it is desired that the refrigerant outlet temperature of the radiator on the refrigerant cycle high pressure side is 50 ° C. or less at maximum, in which case the temperature difference necessary for heat transfer is increased. In the case of 5 ° C., the inlet temperature of the heated fluid as the cooling source is 45 ° C., but in practice, the refrigerant outlet temperature is 45 ° C. or less at the maximum and the inlet temperature of the heated fluid is 40 ° C. or less. desirable.
In addition, the inlet temperature of the fluid to be heated is desirably −40 ° C. or higher. If this is less than −40 ° C., when only the fluid to be heated flows when the operation is stopped, the refrigerant evaporation temperature in the evaporator also becomes less than −40 ° C., the internal pressure falls below atmospheric pressure, and the outside air enters the refrigerant cycle system. It is necessary to make the container airtight completely, and if it leaks, it is necessary to consider the installation of extraction equipment because moisture and air as non-condensable gas will adversely affect it. Occurs.
本発明の好ましい態様は、前記放熱器の入口側に前記被加熱流体の温度を検出する手段を設け、前記被加熱流体を冷却するために前記予冷器に供給する流体の流量を調整する流量調整手段を設け、前記被加熱流体の温度を所定温度に保つように前記流量調整手段を制御することを特徴とする。
本発明によれば、被加熱流体の温度変化に対して、被加熱流体を冷却するために予冷器に供給する冷却用の流体の流量を調整することにより、予冷器において冷却された後の低温被加熱流体の温度を一定に保つことができる。
In a preferred aspect of the present invention, a means for detecting the temperature of the heated fluid is provided on the inlet side of the radiator, and a flow rate adjustment for adjusting a flow rate of the fluid supplied to the precooler to cool the heated fluid. Means for controlling the flow rate adjusting means to keep the temperature of the heated fluid at a predetermined temperature.
According to the present invention, the low temperature after being cooled in the precooler by adjusting the flow rate of the cooling fluid supplied to the precooler to cool the heated fluid in response to the temperature change of the heated fluid. The temperature of the fluid to be heated can be kept constant.
本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
(1)冷媒サイクルの放熱器出口温度は、ヒートポンプシステムのCOPを向上するためには低いことが望ましい。冷媒サイクルの高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用いる場合、放熱器出口温度が所定温度以上だと、蒸発器での冷媒の蒸発が不可能になる場合があること、及び高温による容器の耐圧制限があること等により、運転に制限を加える必要があった。本発明では、放熱器において加熱される被加熱流体を放熱器に導入する前に冷却することにより、ヒートポンプの性能向上を図ることができ、ヒートポンプを停止させることなく連続運転を可能とし運転効率を上げることができる。
(2)予冷器において被加熱流体を冷却する手段として、冷熱源流体を使用し、予冷器において被加熱流体は冷熱源流体により冷却され、低温被加熱流体となる。放熱器において冷却に使用される被加熱流体が低温化することにより、放熱器出口側の冷媒の温度を低くすることができる。この結果、放熱器入口側の冷媒と出口側の冷媒の比エンタルピ差(kJ/kg)に冷媒循環量(kg/s)を掛けた値である発生熱量(kW)が増えると共に、蒸発器入口側の冷媒と出口側の冷媒の比エンタルピ差(kJ/kg)に冷媒循環量(kg/s)を掛けた値である発生冷熱量(kW)も増やすことができる。よって、冷媒サイクルのCOPを向上させることができる。
(3)蒸発器において熱源として用いられ冷媒により蒸発潜熱エネルギーを奪われて温度が低下した低温熱源流体によって被加熱流体を冷却すれば、ヒートポンプで発生する冷熱量を使用することになり、全体の熱必要量が増えることはない。また、予冷器で被加熱流体から熱を奪った熱源流体を、蒸発器において冷媒を蒸発させるための熱源流体として使用することも可能である。この結果、ヒートポンプシステムを効率よく運転し、COPを向上させることができる。
(4)予冷器によって冷却される低温被加熱流体部に温度を検出するセンサーを設置し、冷熱源流体の流量を調整して低温被加熱流体の温度を目標設定温度となるように制御することにより、被加熱流体の温度変化に対して低温被加熱流体の温度を一定に保つことができ、冷熱源流体の入口温度変動の影響を受けること無く安定して運転ができる。
(5)被加熱流体の温度が変化しても低温被加熱流体の温度を一定に保つことができ、ヒートポンプシステムを常に効率よく運転することができると共に、被加熱流体の温度が装置の上限温度を超える場合でも、ヒートポンプシステムを停止させることなく連続運転が可能であり、停止による効率低下を避けることができる。
The present invention has the following effects.
(1) The radiator outlet temperature of the refrigerant cycle is desirably low in order to improve the COP of the heat pump system. When using a refrigerant that can be in a supercritical state on the high-pressure side of the refrigerant cycle, it may be impossible to evaporate the refrigerant in the evaporator if the outlet temperature of the radiator is higher than a predetermined temperature, and the pressure resistance of the container due to the high temperature It was necessary to limit operation due to limitations. In the present invention, by cooling the heated fluid heated in the radiator before introducing it into the radiator, the performance of the heat pump can be improved, and continuous operation can be performed without stopping the heat pump. Can be raised.
(2) A cold source fluid is used as a means for cooling the heated fluid in the precooler, and the heated fluid is cooled by the cold source fluid in the precooler and becomes a low temperature heated fluid. The temperature of the refrigerant on the outlet side of the radiator can be lowered by lowering the temperature of the heated fluid used for cooling in the radiator. As a result, the amount of generated heat (kW), which is a value obtained by multiplying the specific enthalpy difference (kJ / kg) between the refrigerant on the radiator inlet side and the refrigerant on the outlet side by the refrigerant circulation amount (kg / s) increases, and the evaporator inlet The amount of generated cold heat (kW), which is a value obtained by multiplying the specific enthalpy difference (kJ / kg) between the refrigerant on the outlet side and the refrigerant on the outlet side by the refrigerant circulation amount (kg / s), can also be increased. Therefore, the COP of the refrigerant cycle can be improved.
(3) If the fluid to be heated is cooled by a low-temperature heat source fluid that is used as a heat source in the evaporator and has been deprived of the latent heat energy of evaporation by the refrigerant and the temperature is lowered, the amount of heat generated by the heat pump is used. Heat requirements will not increase. It is also possible to use a heat source fluid that has taken heat from the fluid to be heated by the precooler as a heat source fluid for evaporating the refrigerant in the evaporator. As a result, the heat pump system can be operated efficiently and the COP can be improved.
(4) A sensor for detecting the temperature is installed in the low-temperature heated fluid part cooled by the precooler, and the flow rate of the cold heat source fluid is adjusted so that the temperature of the low-temperature heated fluid becomes the target set temperature. Thus, the temperature of the low-temperature heated fluid can be kept constant with respect to the temperature change of the heated fluid, and stable operation can be performed without being affected by the inlet temperature fluctuation of the cold heat source fluid.
(5) Even if the temperature of the heated fluid changes, the temperature of the low temperature heated fluid can be kept constant, the heat pump system can always be operated efficiently, and the temperature of the heated fluid is the upper limit temperature of the apparatus Even in the case of exceeding the above, continuous operation is possible without stopping the heat pump system, and efficiency reduction due to the stop can be avoided.
以下、本発明に係る超臨界サイクルヒートポンプ装置の実施形態を図1乃至図4を参照して説明する。図1乃至図4において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。本実施形態においては、冷媒サイクルの高圧側で超臨界状態となりうる冷媒として、二酸化炭素(CO2)を用いる場合を説明する。冷媒サイクルの高圧側で超臨界状態になれば、二酸化炭素以外の他の冷媒であってもよい。 Hereinafter, an embodiment of a supercritical cycle heat pump apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4, the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In the present embodiment, a case where carbon dioxide (CO 2 ) is used as a refrigerant that can be in a supercritical state on the high pressure side of the refrigerant cycle will be described. Other refrigerants other than carbon dioxide may be used as long as the supercritical state is reached on the high pressure side of the refrigerant cycle.
図1は本発明の超臨界サイクルヒートポンプ装置の一実施形態を示す系統図である。
図1に示すように、超臨界サイクルヒートポンプ装置は、冷媒を超臨界状態まで断熱圧縮する圧縮機1と、断熱圧縮された冷媒を冷却する放熱器2と、高圧の冷媒を断熱膨張させ低圧にさせる手段である膨張弁3と、断熱膨張して低圧低温になった冷媒を蒸発させる蒸発器4と、被加熱流体を放熱器2に導入する前に被加熱流体を冷却する予冷器5とを備えている。
FIG. 1 is a system diagram showing an embodiment of the supercritical cycle heat pump apparatus of the present invention.
As shown in FIG. 1, the supercritical cycle heat pump apparatus includes a
図1に示すように構成された超臨界サイクルヒートポンプ装置において、冷媒14は圧縮機1により超臨界状態まで圧縮される。圧縮後の冷媒11の温度は、ヒートポンプシステムで発生させる熱により加熱される加熱対象物の要求仕様によるが、冷媒として二酸化炭素を用いる場合、80〜130℃くらいで使用されることが多い。
圧縮後の冷媒11は、放熱器2により冷却され冷媒12となる。この時の冷媒11と冷媒12の比エンタルピ差(kJ/kg)に冷媒循環量(kg/s)を掛けると、発生熱量(kW)となる。冷媒12は、冷媒を低圧にして膨張させる手段である膨張弁3により冷媒13となり、蒸発器4により加熱されて冷媒14に戻る。この時の冷媒13と冷媒14の比エンタルピ差(kJ/kg)に冷媒循環量(kg/s)を掛けた値が発生冷熱量(kW)である。よって、冷媒サイクルのCOPを向上させるためには、放熱器2で冷却された後の冷媒12の温度は低いことが望まれる。
In the supercritical cycle heat pump apparatus configured as shown in FIG. 1, the refrigerant 14 is compressed to a supercritical state by the
The compressed
冷媒12の温度は、放熱器2において冷却に使用される被加熱流体の放熱器入口温度に依存する。この時の被加熱流体は本実施例では空気を想定するが、水などの流体でも構わない。冷媒として二酸化炭素を用いる場合、冷媒出口温度を最高温度の目安である概ね50℃まで冷却するには、放熱器での被加熱流体入口温度は概ね40℃以下であることが望まれる。
被加熱流体に空気を用いる場合、一般に外気または室内空気を導入する。空気を放熱器2で加熱することにより発生させた熱風を乾燥工程に用いた後の排風を循環してもよい。
The temperature of the refrigerant 12 depends on the radiator inlet temperature of the heated fluid used for cooling in the
When air is used as the fluid to be heated, outside air or room air is generally introduced. You may circulate the exhaust wind after using the hot air generated by heating the air with the
ヒートポンプシステムは一般に機械室に設置され、乾燥装置として使用する場合は特に室内温度は上昇しやすい傾向にあるため、40℃を超えるケースもありうる。また、近年の温暖化により外気であっても40℃を超えるケースも出てきている。
また、前述したように冷媒12の温度が低いと冷媒サイクルのCOPが向上するので、被加熱流体温度は低く設定した方がより効率的である。したがって、本発明においては、被加熱流体を冷却して被加熱流体の温度を低下させるために予冷器5を設置している。
The heat pump system is generally installed in a machine room, and when used as a drying device, the room temperature tends to rise particularly, so there may be a case where the temperature exceeds 40 ° C. In addition, there are cases where the temperature exceeds 40 ° C. even in the open air due to recent warming.
Further, as described above, since the COP of the refrigerant cycle is improved when the temperature of the refrigerant 12 is low, it is more efficient to set the temperature of the fluid to be heated low. Therefore, in the present invention, the
図1に示す実施形態においては、予冷器5において被加熱流体8を冷却する手段として、冷熱源流体20を使用している。予冷器5において、被加熱流体8は冷熱源流体20により冷却され、低温被加熱流体9となる。放熱器2において冷却に使用される被加熱流体が低温化することにより、冷媒12の温度を低くすることができる。
この結果、冷媒11と冷媒12の比エンタルピ差(kJ/kg)に冷媒循環量(kg/s)を掛けた値である発生熱量(kW)が増えると共に、冷媒13と冷媒14の比エンタルピ差(kJ/kg)に冷媒循環量(kg/s)を掛けた値である発生冷熱量(kW)も増やすことができる。よって、冷媒サイクルのCOPを向上させることができる。
In the embodiment shown in FIG. 1, a cold source fluid 20 is used as means for cooling the
As a result, the amount of generated heat (kW), which is a value obtained by multiplying the specific enthalpy difference (kJ / kg) between the refrigerant 11 and the refrigerant 12 by the refrigerant circulation amount (kg / s), increases, and the specific enthalpy difference between the refrigerant 13 and the refrigerant 14. The generated cold energy (kW), which is a value obtained by multiplying the refrigerant circulation rate (kg / s) by (kJ / kg), can also be increased. Therefore, the COP of the refrigerant cycle can be improved.
本発明の超臨界サイクルヒートポンプ装置の他の実施形態を示す図2においては、予冷器5において被加熱流体8を冷却する手段として、熱源流体6の一部を使用している。そして、予冷器5において被加熱流体8から熱を奪って加温された熱源流体6の一部または全量を蒸発器4の入口に戻すことによりヒートポンプの熱源として有効に使用することもできる。
In FIG. 2 showing another embodiment of the supercritical cycle heat pump apparatus of the present invention, a part of the
本発明の超臨界サイクルヒートポンプ装置の更に他の実施形態を示す図3においては、予冷器5において被加熱流体8を冷却する手段として、蒸発器4において冷媒により蒸発潜熱エネルギーを奪われた低温熱源流体7を使用している。低温熱源流体7はブースタポンプ21により予冷器5に供給される。そして、予冷器5において被加熱流体8から熱を奪って加温された低温熱源流体の一部または全量を蒸発器4の入口に戻すことによりヒートポンプの熱源として有効に使用することもできる。
この場合、被加熱流体8を低温被加熱流体9にするのに必要な低熱源は、ヒートポンプで発生する冷熱量を使用するうえに、冷媒12の温度が下がることで蒸発器4で発生する冷熱量は、冷媒12の温度を下げるのに必要な熱量分増量する。よって、全体の熱必要量が増えることはない。
In FIG. 3 showing still another embodiment of the supercritical cycle heat pump apparatus of the present invention, as a means for cooling the
In this case, the low heat source required to change the
冷媒12は膨張弁3により低圧まで膨張され冷媒13となる。冷媒を膨張させる手段として膨張弁3を用いたが、キャピラリチューブであってもよい。冷媒13は蒸発器4において熱源流体6によって蒸発されて冷媒14に戻る。
熱源流体としては、一般に冷却水またはチラー水、ブラインの類が使用され、熱源流体は概ね−20℃〜40℃の範囲にある。冷却水とは、冷却塔水・工水・市水の類の常温の水であり、チラー水とは冷却水より低温の水であり一般には冷凍機などにより作られる。
The refrigerant 12 is expanded to a low pressure by the
As the heat source fluid, cooling water, chiller water, or brine is generally used, and the heat source fluid is generally in the range of −20 ° C. to 40 ° C. Cooling water is room-temperature water such as cooling tower water, industrial water, and city water, and chiller water is water at a lower temperature than cooling water and is generally produced by a refrigerator or the like.
熱源流体6と低温熱源流体7の温度差が概ね5℃となるように、熱源流体量の流量は調整される。図1に示す実施形態においては、低温被加熱流体9を流す管路に温度を検出するセンサー15を設置する。該センサー15により検出される温度に基づいて、温度調節計16により冷熱源流体20を流す管路に設けられた制御弁17の開度を制御して冷熱源流体の流量を調整することにより、低温被加熱流体9の温度を目標設定温度になるように制御する。なお、図2および図3に示す例においては、センサー15、温度調節計16および制御弁17により熱源流体6または低温熱源流体7の流量を調整することにより低温被加熱流体の温度を目標設定温度になるように制御する。この結果、被加熱流体8の温度が変化しても低温被加熱流体9の温度を一定に保つことができ、ヒートポンプシステムを常に効率よく運転することができると共に、被加熱流体の温度が装置の上限温度を超える場合でも、ヒートポンプシステムを停止させることなく連続運転することができる。
The flow rate of the heat source fluid amount is adjusted so that the temperature difference between the
冷媒として二酸化炭素を用いる場合、被加熱流体の上限温度は40℃、下限温度は蒸発器4において正圧を保つため−40℃とする。
冷媒として二酸化炭素を使用し、被加熱流体として40℃の外気を導入し、熱源流体として−5℃のブラインを使用し、冷媒サイクルで125℃まで昇温するケースを想定する。尚、低温熱源流体は−10℃で取り出すものとする。
被加熱流体の冷却を行なわない場合、冷媒12の温度は概ね45℃、冷却を行なう場合、冷媒12を概ね25℃および5℃まで冷却するとする。
When carbon dioxide is used as the refrigerant, the upper limit temperature of the fluid to be heated is 40 ° C., and the lower limit temperature is −40 ° C. in order to maintain a positive pressure in the
A case is assumed in which carbon dioxide is used as the refrigerant, outside air at 40 ° C. is introduced as the fluid to be heated, -5 ° C. brine is used as the heat source fluid, and the temperature is raised to 125 ° C. in the refrigerant cycle. The low-temperature heat source fluid is taken out at -10 ° C.
When the fluid to be heated is not cooled, the temperature of the refrigerant 12 is approximately 45 ° C., and when the cooling is performed, the refrigerant 12 is cooled to approximately 25 ° C. and 5 ° C.
図4は圧力−エンタルピ線図である。図4に示すように、冷媒サイクルはサイクル1、2、3となる。図4中、サイクル1、2、3における一部の直線は、本来、重なって図示されるべきであるが、各サイクルを識別できるように一部の直線を重ならないように図示している。表1はサイクル1、2、3における主要な値を示す。
サイクル1の場合、40℃の外気を冷却することなく、そのまま放熱器2に導入する。
サイクル2の場合、40℃の外気を予冷器5で25℃まで冷却するので、冷熱源としては20℃程度の冷却水があれば被加熱流体の冷却が可能である。
図1に示すように、被加熱流体の冷却のために冷熱源流体を単独で設けた場合は、発生熱量のみならず、発生冷熱量も向上させることが可能となる。
サイクル3の場合、40℃の外気を予冷器5で5℃まで冷却するので、冷熱源としては0℃程度のチラー水もしくはブラインを必要とするが、大幅にCOPを向上させることが可能である。
図3に示すように、被加熱流体の冷却に、冷媒13を蒸発させる蒸発器4において冷媒により蒸発潜熱を奪われた低温熱源流体7を使用することもできる。
被加熱流体の冷却に使用する熱量は、サイクル1の冷媒12である345kJ/kgと、サイクル3の冷媒12である210kJ/kgとの差であるが、この冷熱量は、サイクル1での冷熱発生量である冷媒13と冷媒14のエンタルピ差90kJ/kgと、サイクル3における冷熱発生量である冷媒13と冷媒14のエンタルピ差225kJ/kgとの差と同じであるので、新たに熱量を必要としない。
以上のように、被加熱流体を放熱器に導入する前に冷却することで、COPを大幅に向上させることが可能である。
In the case of
In the case of
As shown in FIG. 1, when the cooling source fluid is provided independently for cooling the heated fluid, not only the generated heat amount but also the generated cold heat amount can be improved.
In the case of the
As shown in FIG. 3, a low-temperature heat source fluid 7 from which latent heat of evaporation has been removed by the refrigerant in the
The amount of heat used for cooling the heated fluid is the difference between 345 kJ / kg, which is the refrigerant 12 in
As described above, COP can be significantly improved by cooling the heated fluid before introducing it into the radiator.
これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。 Although the embodiment of the present invention has been described so far, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that the present invention may be implemented in various different forms within the scope of the technical idea.
1 圧縮機
2 放熱器
3 膨張弁
4 蒸発器
5 予冷器
6 熱源流体
7 低温熱源流体
8 被加熱流体
9 低温被加熱流体
11,12,13,14 冷媒
15 センサー
16 温度調節計
17 制御弁
20 冷熱源流体
21 ブースタポンプ
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記放熱器において冷媒との熱交換により加熱される被加熱流体を前記放熱器に導入する前に冷却するようにしたことを特徴とする超臨界サイクルヒートポンプ装置。 A compressor that adiabatically compresses the refrigerant, a radiator that cools the adiabatic-compressed refrigerant, an expansion valve that adiabatically expands the high-pressure refrigerant to lower the pressure, and an evaporation that evaporates the refrigerant that has been adiabatically expanded to low pressure and low temperature A supercritical cycle heat pump apparatus in which a high pressure refrigerant adiabatically compressed is in a supercritical state.
A supercritical cycle heat pump apparatus, wherein a heated fluid heated by heat exchange with a refrigerant in the radiator is cooled before being introduced into the radiator.
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